Введение

Трехслойные конструкции с сотовым заполнителем (сэндвич-конструкции) являются ярким примером, представляющим в макромасштабе конструирование композиционного материала из составляющих элементов: двух обшивок, сотового заполнителя и клея. Структурная элементарная ячейка трехслойной конструкции представляет собой наименьшую часть, дублированием которой можно создать всю конструкцию. При испытании образца, включающего много элементарных структурных ячеек, получают характеристики панели, которые можно теоретически рассчитать исходя из свойств составляющих элементов. При сравнении с композиционным материалом [1–3] условно можно считать, что в трехслойной конструкции обшивки являются армирующим наполнителем; сотовый заполнитель –матрицей, объединяющей восприятие панелью внешней нагрузки; клеевое соединение обшивок с заполнителем – межфазным слоем.

В трехслойных конструкциях используют преимущество геометрического расположения материала для снижения массы аналогично применению специальных форм металлических полуфабрикатов, таких как двутавр, швеллер, труба, профиль (рис. 1). Нагружение трехслойной панели изгибом похоже на изгиб двутавровой балки. Одна из обшивок панели работает на сжатие, а другая – на растяжение. Заполнитель связывает обшивки, как стенка балки, и повышает изгибную жесткость панели. Обшивки обеспечивают жесткость при изгибе и сдвиге в их плоскости. Заполнитель придает устойчивость обшивкам и обеспечивает передачу сдвиговых деформаций по толщине конструкции.

Рис. 1. Виды специальных форм полуфабрикатов: а – металлические полуфабрикаты; б – трехслойная панель из композиционных материалов

Следует отметить, что наблюдаемое в авиастроении стремление снизить толщину обшивки с целью уменьшения массы панели является ошибкой, ведущей к уменьшению геометрических характеристик поперечного сечения: статического момента, моментов инерции, а также зависящих от них величин прочности и жесткости панели.

За счет упругой деформации наполнителя конструкция панели позволяет при изгибе нагрузить обшивки из слоистых полимерных композиционных материалов усилием, которого нельзя достичь в сплошной панели из-за небольших напряжений сдвига, а также обеспечивает возможность воспринимать высокие напряжения сжатия без потери устойчивости. Несущие слои обшивки воспринимают продольное растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг в плоскости панели и предохраняют от внешнего воздействия относительно слабый заполнитель, чувствительный к сосредоточенным нагрузкам. Сотовый заполнитель обеспечивает разнесение обшивок от центральной (нейтральной при изгибе) оси, что увеличивает значения момента инерции сечения панели, жесткость и прочность конструкции. Такое сочетание и взаимодействие составных элементов обеспечивает большие значения жесткости и несущей способности при сравнительно малой массе конструкций [1–16].

Напряжения в обшивках панели

Проектирование решает задачу разработки панели для самолета таким образом, чтобы с учетом данных о материалах обшивки, заполнителя и клея панель имела минимальную массу при выполнении условий ее прочности и жесткости.

Механические характеристики панели, определяющие ее качество, представлены в таблице. Схемы расчета характеристик, размеры образцов, эскизы и фотографии приспособлений приведены на рисунках.

В формулах, представленных в таблице, используют следующие обозначения:

σ_и – предел прочности материала обшивки панели при четырехточечном изгибе (длинная балка), МПа;

P_max– нагрузка, при которой обшивка разрушается от растяжения или теряет устойчивость при сжатии, Н;

S– расстояние между опорными валиками, мм;

L– расстояние между нагружающими валиками, мм;

d– толщина панели, мм;

c– толщина сотового заполнителя, мм;

b– ширина образца, мм;

t– толщина обшивки, мм;

E_и – секущий модуль упругости материала обшивки при изгибе (при сжатии верхней обшивки или растяжении нижней), МПа;

σ₃₀₀₀ – напряжение в обшивке при деформации наклеенного на обшивку тензорезисторного датчика 3000 микроединиц (0,003, или 0,3 %);

σ₁₀₀₀ – напряжение в обшивке при деформации наклеенного на обшивку тензорезисторного датчика 1000 микроединиц (0,001, или 0,1 %);

ε₃₀₀₀ – деформация наклеенного на обшивку тензорезисторного датчика 3000 микроединиц (0,003, или 0,3 %);

ε₁₀₀₀ – деформация наклеенного на обшивку тензорезисторного датчика 1000 микроединиц (0,001, или 0,1 %);

D_и– жесткость при изгибе панели, Н·мм²;

P₃₀₀₀ – нагрузка в верхней сжимаемой обшивке при деформации наклеенного на нее тензорезисторного датчика 3000 микроединиц (0,003, или 0,3 %), Н;

P₁₀₀₀ – нагрузка в верхней сжимаемой обшивке при деформации наклеенного на нее тензорезисторного датчика 1000 микроединиц (0,001, или 0,1 %), Н;

ε_1-3000 – деформация тензорезисторного датчика на поверхности верхней обшивки 3000 микроединиц (0,003, или 0,3 %);

ε_1-1000 – деформация тензорезисторного датчика на поверхности верхней обшивки 1000 микроединиц (0,001, или 0,1 %);

ε_2-3000 – деформация тензорезисторного датчика на поверхности нижней обшивки при P₃₀₀₀;

ε_2-1000 – деформация тензорезисторного датчика на поверхности нижней обшивки при P₁₀₀₀;

σ^z_cж – предел прочности заполнителя при сжатии перпендикулярно плоскости панели (в направлении толщины заполнителя), МПа;

A– площадь поперечного сечения образца, мм²;

σ^z_0.02 – напряжение сжатия при деформации 0,02 (2 %), т. е. когда отношение абсолютной деформации d к толщине сотового заполнителяc составляет 0,02;

P_0,02 – нагрузка при деформации сжатия 0,02 (2 %), Н;

 E^z_cж– секущий модуль упругости заполнителя при сжатии перпендикулярно плоскости панели, МПа;

σ_0,003 – напряжение в заполнителе при деформации 0,003 (0,3 %);

σ_0,001 – напряжение в заполнителе при деформации 0,001 (0,1 %);

ε_0,003 – деформация заполнителя 0,003 (0,3 %);

ε_0,001 – деформация заполнителя 0,001 (0,1 %);

P_0,003 – нагрузка при деформации сжатия 0,003 (0,3 %), Н;

P_0,001 – нагрузка при деформации сжатия 0,001 (0,1 %), Н;

δ_0,003С– абсолютная деформация заполнителя при ε_0,003, мм;

δ_0,001С – абсолютная деформация заполнителя при ε_0,001, мм;

σ^z_p – предел прочности заполнителя при растяжении перпендикулярно плоскости панели (в направлении толщины заполнителя), МПа;

σ_сж – предел прочности обшивки при сжатии параллельно плоскости панели (в направлении длины или ширины обшивки), чаще получают напряжение потери устойчивости обшивки, МПа;

τ – предел прочности заполнителя при сдвиге, МПа;

T¯ – средний крутящий момент отслаивания, (Н·мм)/мм;

r₀– радиус фланца, включая половину толщины ленты барабана, мм;

r₁– радиус барабана, включая половину толщины обшивки, мм;

F_r– средняя нагрузка отслаивания, Н;

F₀– нагрузка накручивания на барабан только обшивки, Н;

D– жесткость при изгибе панели с одинаковыми обшивками, Н·мм²;

E – модуль упругости материала обшивки, МПа;

U– поперечная жесткость панели, Н;

Р – нагрузка, Н;

D – прогиб образца, мм;

G – модуль сдвига заполнителя, МПа;

K_A – тангенс угла наклона начального линейного участка графика «нагрузка–перемещение», Н/мм;

σ_cr – среднее напряжение на участке смятия сотового заполнителя на графике «нагрузка–перемещение», МПа;

P_cr– среднее усилие деформирования на участке смятия сотового заполнителя на графике «нагрузка–перемещение», Н;

s_cr – относительная деформация смятия сотового заполнителя;

δ_cr– абсолютная деформация смятия сотового заполнителя;

E_j– энергия удара, Дж;

С – коэффициент нормирования энергии удара на единицу толщины образца (С = 6,7 Дж/мм);

h – толщина образца, мм;

ẇ – скорость ползучести прогиба, мм/ч;

w– относительный прогиб образца, %;

w_к– прогиб образца при ползучести, мм;

w_н– начальный прогиб образца при нагружении, мм.

Механические характеристики трехслойной панели с сотовым заполнителем

Схема для расчета нормальных напряжений в обшивках панели при четырехточечном (чистом) изгибе представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема для расчета нормальных напряжений в обшивках панели. Принимают, что модуль упругости обшивки E₀ гораздо больше модуля упругости сотового заполнителяE_c ≈ 0

Через равенство моментов в уравнении (20) определяют значения напряжений по формуле (1):

                                                 (20)

Из формулы (20) следует, что при одинаковой величине нагрузки максимальные нормальные напряжения в обшивке панели в  раз меньше, чем в балке шириной b и толщиной 2t из материала обшивки.

Жесткость при изгибе балки шириной b и толщиной 2t из материала обшивки определяют по формуле

                                                                  (21)

где I_x – осевой момент инерции.

Жесткость панели с низкомодульным заполнителемопределяют по формуле

                                      (22)

соотношение жесткости при изгибе балки из материала обшивки и панели с низкомодульным заполнителем – по формуле

                                                                 (23)

Из формулы (23) следует, что наиболее эффективным способом повышения жесткости панели является увеличение соотношения толщин заполнителя и обшивки. Например, при c/t= 2 жесткость панели возрастает в 7 раз, а при c/t= 6 – в 37 раз. Масса панели за счет увеличения объема сотового заполнителя повышается незначительно.

Нагружение панели чистым изгибом позволяет получить наибольший эффект при эксплуатации. Характеристики прочности, жесткости и виды разрушения определяют по стандартам [15, 16]. Зачетными видами разрушения являются разрушения обшивок панели от растягивающих или сжимающих напряжений (рис. 3). При стандартной схеме нагружения используют крупногабаритные прямоугольные образцы длиной 600±1 мм, шириной 75±0,5 мм и толщиной, равной толщине панели. Согласно стандартам (рис. 2), длины S и L составляют 560 и 100 мм соответственно. Для регистрации деформации посередине на верхней и нижней обшивках образца приклеивают тензодатчики. Для исключения смятия обшивок в местах нагружения между опорами и образцом прокладывают жесткие резиновые пластины.

Рис. 3. Схема нагружения с использованием жестких резиновых пластин (а), нагружающее приспособление (б) и основные виды разрушений образца (в, г) [15, 16]

Методики испытаний трехслойных конструкций

Стандарты предлагают фиксировать 12 возможных видов разрушения образца. Основные виды разрушения представлены на рис. 3. Преобладают разрушения от потери устойчивости сжатой обшивкой. Для исключения этого сжимаемую обшивку следует делать толще, чем обшивку растяжения.

Прочность сотового заполнителя при сжатии является важным показателем для проектирования панелей пола в салоне самолета. Функционирование панели при передвижении пассажиров должно обеспечивать ощущение достаточной жесткости конструкции через тактильные ощущения приемлемо малых прогибов. Испытания заполнителя на сжатие в направлении его толщины проводят по стандартам [17, 18]. Определяют физико-механические характеристики σ^z_cж, σ^z_0.02, E^z_сж на этапе начального деформирования с целью выбора оптимальных параметров структуры заполнителя: длиныL, толщиныT, шириныW, размеров ячейки (рис. 4).

Рис. 4. Сотовый заполнитель с шестигранной формой ячеек (сот): а – вид единичной ячейки (1 – гофрированные полосы, 2 – грани ячейки одинарной толщины, 3 – грани ячейки двойной толщины, 4 – размер ячейки); б – основные параметры сотового заполнителя [14]

Образец для испытаний должен иметь квадратное или круглое поперечное сечение, включающее, согласно стандартам [17, 18], ~60 сот, и толщину, равную толщине заполнителя. В зависимости от размера соты изменяют поперечное сечение образца. Наибольшее значение площади 5625 мм² является практическим максимумом для данного метода испытаний. Для материала внутреннего слоя с размерами сот, превышающими 9 мм, может потребоваться меньшее количество сот для испытаний.

Нагрузку на образец передают с помощью закрепленной плоской плиты и плиты со сферическим (самонастраивающимся) устройством (рис. 5). Нагружающие плиты настраивают и не допускают внецентренного приложения силы.

Для предотвращения возникновения местных очагов деформации заполнителя упрочняют поверхность образца, для чего погружают ее в тонкий слой клея или приклеивают к образцу тонкий лист. В авиастроении и космической отрасли определяют модуль упругости при сжатии только на образцах, подготовленных таким образом.

Единственным допустимым типом деформирования заполнителя является сначала упругое деформирование по всей плоскости сжатия, затем – потеря устойчивости и смятие также по всей плоскости сжатия. Результаты испытания при наличии локальных участков смятия в одном углу или у одной кромки образца не учитывают. На рис. 6 представлена типичная диаграмма сжатия, обработка которой позволяет определить стандартные физико-механические характеристики по формулам, указанным в таблице.

Образец для испытаний заполнителя на растяжение, также как и образец для испытания на сжатие, должен иметь квадратное или круглое поперечное сечение, включающее ~60 сот, и толщину, равную толщине заполнителя. Растягивающую нагрузку, перпендикулярную плоскости обшивки, заполнитель воспринимает через нагружающие блоки большой толщины, которые приклеивают к обшивкам или непосредственно к сотовому заполнителю (рис. 7).

Приемлемыми являются разрушения, начавшиеся и прошедшие в объеме панели. Разрушение адгезионного слоя между нагружающим блоком и панелью не является приемлемым видом разрушения (рис. 8) [19, 20].

При испытании фиксируют диаграмму растяжения, обработка которой позволяет определить стандартные механические характеристики [19, 20].

Рис. 7. Растяжение сотового заполнителя с помощью наклеенных блоков

Рис. 8. Зачетные виды разрушения панели при растяжении с помощью наклеенных блоков:
1 – разрушение заполнителя, 2 – адгезионное разрушение клеевого слоя между обшивкой и заполнителем, 3 – когезионное разрушение клеевого слоя между обшивкой и заполнителем,
4 – разрушение обшивки [19, 20]

Способность панели сопротивляться сжатию в направлении длины или ширины панели оценивают испытанием образца панели на сжатие (рис. 9) [21, 22]. Исходным размером для изготовления образца в виде параллелепипеда является толщина панели. Рабочая длина образца L₀ должна быть в пределах восьми толщин, ширина b – не менее 50 мм. Торцы образца усиливают эпоксидным наполнителем, обрабатывают и шлифуют, чтобы торцы были ровными и параллельными.

Рис. 9. Установка образца из трехслойной панели в испытательную машину [21] (а)и схема испытания на сжатие (б)

Предел прочностиσ_сж выражают относительно номинальной площади поперечного сечения материалов обшивок. Зачетными видами потери образцом несущей способности и частичного разрушения за счет образования новой свободной поверхности являются изменение формы образца и разрушения, происходящие вдали от опорных концов. Как правило, несущая способность образца снижается вследствие потери устойчивости обшивок и их отрыва от сот. На рис. 10 представлены основные виды потери несущей способности и разрушения при сжатии образца в направлении длины или ширины панели.

Рис. 10. Основные виды потерь несущей способности образца при сжатии в направлении длины или ширины панели: 1 – потеря устойчивости и отрыв от сот одной обшивки; 2 – потеря устойчивости и отрыв от сот обеих обшивок; 3 – потеря устойчивости обеих обшивок и разрушение сот; 4 – общая потеря устойчивости образца; 5 – сдвиг образца; 6 – отрыв обшивки от заполнителя на торце образца [1]

Диаграмма сжатия демонстрирует согласованную работу составляющих элементов панели (двух обшивок, заполнителя, клеевого соединения) по сопротивлению деформированию и разрушению. Сила и энергия этого сопротивления превосходят сумму сопротивлений составляющих элементов.

Прочность при сдвиге заполнителя t определяют испытанием образца, изготовленного из панели в виде балки, на поперечный (трехточечный) или чистый (четырехточечный) изгиб (рис. 11) [23, 24]. Схемы нагружения балки и возникающие внутренние силовые факторы (изгибающий момент, поперечная сила) представлены на рис. 12.

Поперечную силу определяют по формуле

Q= P/2,                                                                (24)

прочность при сдвиге наполнителя – по формуле Д.И. Журавского:

                                                           (25)

где S_отс – статический момент инерции относительно нейтральной оси.

Рис. 11. Схемы нагружения для определения прочности при сдвиге заполнителя [23, 24]

Рис. 12. Схема для расчета касательного напряжения в заполнителе панели [35, 36]

Из данных рис. 12 следует:

h = d – t, S_отс = tb(d – t)/2,

                            (26)

Образцы изготавливают путем механической обработки из готовых панелей. Механическую обработку осуществляют с помощью дисковой пилы с применением воды для охлаждения.

Кроме прочности заполнителя при сдвиге, изгиб панели позволяет определить значения модуля сдвига заполнителя, прочность клеевого соединения, допустимые напряжения потери устойчивости, растяжения и сжатия обшивки. Необходимую характеристику определяют путем анализа вида разрушения образца.

Следует отметить, что получаемое значение сдвига относится не к материалу сотового заполнителя (бумаге, алюминиевым, титановым и другим сплавам), а к теоретическому (условному) материалу, из которого создана конструкция сот в заполнителе. В действительности тонкие высокие слои сот воспринимают растягивающую или сжимающую нагрузку. Растяжение вызывает разрушение от нормального напряжения, сжатие сначала приводит к потере устойчивости и появлению пластических шарниров, а затем – к смятию сот. Теоретически лучшей конструкцией сотового заполнителя будет конструкция с восприятием материалом сот только растягивающих напряжений. Этому способствует изготовление заполнителя в виде полых усеченных конусов [9, 35, 36].

Прочность клеевого соединения обшивки с сотовым заполнителем – одна из основных характеристик панели. Широко применяемым методом ее оценки является испытание по определению усилия отслаивания обшивки на барабане [25, 26]. Термины «отслаивание» и «расслаивание» введены для описания процессов испытания клеевых соединений и имеют разное смысловое значение [37]. Термин «отслаивание» применяют при испытаниях клеевого соединения разных материалов, термин «расслаивание» – при оценке клеевого соединения резин и резинотканевых материалов между собой. Поэтому название стандарта [26] требует уточнения. На рис. 13 представлены эскиз образца из панели, схема испытания на отслаивание обшивки и диаграмма деформирования. Усилие отслаивания устанавливают путем равномерного накручивания обшивки образца на специальный барабан.

Рис. 13. Эскиз образца из панели (а), схема испытания на отслаивание обшивки (б) и диаграмма деформирования (в) [25, 26]

На рис. 13, в продемонстрированы диаграмма деформирования и методика ее обработки для получения нагрузки накручивания на барабан только обшивкиF₀ и средней нагрузки отслаивания F_r.

На начальном участке определяют F₀. Для определения усилия отслаивания необходимо на полученной диаграмме исключить из длины участка отслаивания (не менее 152 мм) начальные и конечные 25 % участка. На оставшейся области записанной кривой длиной 127 мм определяют среднее значение пиков (F_r).

Согласно мировой практике, качество склеивания обшивки с сотовым заполнителем часто определяют не по значению среднего крутящего момента отслаивания , а по усилию отслаивания F = F_r –F₀ [12]. Полученное значение выражают в специфичных единицах измерения: Н/76 мм, где 76 мм – ширина образца.

Основные виды разрушения образца при испытании на отслаивание:

– между слоями обшивки;

– по клеевому соединению;

– по сотовому заполнителю.

Исследование прочности клеевого соединения обшивки с сотовым заполнителем проводят с целью оптимизации структуры панели для достижения максимальной удельной жесткости.

Жесткость при изгибе панелиD, поперечную жесткость панелиU, модуль сдвига заполнителяGопределяют испытанием образца на трех- или четырехточечный изгиб [27, 28]. Характеристиками жесткости материала являются модули упругости E_ij и G_ij – коэффициенты в уравнениях упругости, связывающих относительные линейные и угловые деформации с нормальными или касательными напряжениями. Изотропный материал имеет два модуля упругости E и G, связанных между собой коэффициентом Пуассона μ. Жесткость образца и конструкции является произведением жесткости материала и соответствующего геометрического параметра, определяющего сопротивление образца и конструкции деформации. При растяжении – это площадь поперечного сечения образца Fс размерностью [мм²], при изгибе – момент инерции относительно нейтральной оси I_x с размерностью [мм⁴]. Поэтому жесткость при растяжении имеет размерность [Н], а при изгибе – [Н·мм²].

Если известны геометрические размеры образца из панели (ширина образцаb, толщина панелиd, толщина сотового заполнителяc, толщина обшивки t(рис. 2)) и модуль упругости материала обшивки E₀, при условии одинаковых обшивок и принятии допущения, что жесткость заполнителя равна нулю (E_с = 0), жесткость образца при изгибе определяется по формуле (11).

Поперечную жесткость панелиU определяют с помощью испытания образца натрехточечный изгиб (рис. 11 и 12). На линейном участке упругого деформирования нагрузка Pсвязана с прогибом в центре образца D линейной зависимостью

                                                 (27)

где k– коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения образца (для прямоугольного сечения образца из сплошного материала k = 5/6, для трехслойной панели k = 1).

Поперечную жесткость панели U определяют по формуле (12), модуль сдвига заполнителяG – по формуле

                                                                         (28)

В формуле (28), полученной из формулы (27), пренебрегают деформацией сдвига жестких обшивок и учитывают сдвиг только сотового заполнителя. Формула (13), приведенная в стандарте [27], показывает близкие, но более низкие значения модуля сдвига.

Когда модуль упругости обшивки неизвестен, жесткость определяют экспериментально методом испытания на упругий изгиб образца с двумя длинамиS.

Стандарты [27, 28] предлагают несколько вариантов испытаний для получения значений D,U иG. Предпочтение следует отдать испытаниям одного образца при разной длине пролетаS. Это уменьшит разброс результатов из-за возможных отклонений при изготовлении образцов.

Важной характеристикой трехслойных панелей является способность не разрушаться (разваливаться на части), а поглощать энергию внешнего силового воздействия. В основном это происходит за счет формоизменения и пластической деформации заполнителя (рис. 14). Поглощающие характеристики сотового заполнителя определяют по стандартам [29, 30].

Рис. 14. Сотовый заполнитель до и после испытания сжимающей нагрузкой для оценки способности поглощать энергию внешнего силового воздействия [29, 30]

Сущность метода заключается в нагружении образца из сотового заполнителя сжимающей нагрузкой, действующей перпендикулярно плоскости склеивания торцов сот с материалом обшивок.

Для определения поглощающих характеристик сотового заполнителя применяют образцы с квадратным или круглым поперечным сечением, толщиной не менее 25 мм. Площадь поперечного сечения образца зависит от размеров ячейки заполнителя и находится в интервале от 625 до 5625 мм². Нагрузку на образец передают с помощью закрепленной плоской плиты и плиты со сферическим (самонастраивающимся) устройством (рис. 5).

Если требуется, чтобы торцы образца были выравнены, проводят их предварительное смятие. Для этого используют специальную зубчатую пластину и методику смятия. После смятия плоскости должны быть параллельны друг другу и перпендикулярны боковым поверхностям образца.

Рекомендуемая скорость перемещения активного захвата составляет 25 мм/мин. Нагружают образец до тех пор, пока прикладываемая нагрузка не превысит на 50 % среднее значение деформирующей нагрузки на горизонтальном участке графика «нагрузкаP–перемещение d». В результате испытания получают график «P–d» (рис. 15), который имеет характерные участки. Начальный линейный участок упругой деформации включает показатели деформации δ₁ = 0,001c и δ₂ = 0,003c, а также соответствующие им значения усилия P₁ (δ₁) и P₂ (δ₂). Относительное перемещение Δ = δ/c в этих точках равно 0,001 и 0,003. Таким образом, на оси абсцисс отмеряют абсолютные деформации δ и соответствующие им относительные деформации Δ. Коэффициент K_A определяют по формуле (14).

Линейный упругий участок (отрезок 3 на рис. 15) заканчивается при потере ячейками наполнителя устойчивости и с началом процесса пластической деформации сот. Исчерпание пластической деформации сот приводит к их смыканию и росту нагрузки. С ориентировкой на конечное значение P из равенства K_B =K_A определяют значения P_i и d_i. Из равенства K_C=K_D= 0,75K_A определяют величины d_C и d_D, разницу между ними d_cr (отрезок 1 на рис. 15). Среднее усилие деформированияP_cr оценивают на участке смятия сотового заполнителя (отрезок 2 на рис. 15).

Рис. 15. График «нагрузка–перемещение» [29, 30]: 1–3 – характерные отрезки; Р – нагрузка; Р_{(Δ = 0,003)} – нагрузка при δ_{(Δ = 0,003)}; Р_{(Δ = 0,001)} – нагрузка при δ_{(Δ = 0,001)}; K_А – угол наклона начального линейного участка графика;K_B – угол наклона конечного линейного участка графика;K_С – угол наклона прямой до начала смятия образца;K_D – угол наклона прямой после смятия образца;
Р_{(Δi  + 0,002)} – нагрузка при δ_{(Δi  + 0,002)}; Р_i – нагрузка при δ_i; δ – перемещение; δ_{(Δ = 0,001)} – перемещение активного захвата, при котором Δ стремится к 0,001; δ_{(Δ = 0,003)} – перемещение активного захвата, при котором Δ стремится к 0,003; δ_С – перемещение активного захвата, когда началось смятие образца; δ_D – перемещение активного захвата, когда закончилось смятие образца; δ_cr – перемещение активного захвата во время смятия образца; δ_i – перемещение активного захвата в точкеi после окончания смятия; δ_{(Δi  + 0,002)} – перемещение активного захвата после смятия образца, при котором Δ не менее чем на 0,002 больше Δ_i

Напряжение смятия сотового заполнителя определяют по формуле (15), относительную деформацию смятия сотового заполнителя – по формуле

                                        (29)

Стандарты не регламентируют определение среднего усилия деформирования на участке смятия сотового заполнителя P_cr, что требует их дополнения.

Способность конструкции заполнителя воспринимать без разрушения за счет изменения формы большие упругие деформации, наличие у материала заполнителя значительных пластических деформаций придают трехслойным панелям живучесть (возможность выдерживать силовую нагрузку при наличии повреждений). Определение значений параметров, характеризующих сопротивление панелей разрушению (живучесть), проводят методами статического и ударного нагружения образца, изготовленного из панели, индентором с гладким полусферическим наконечником и последующим испытанием образца на сжатие. Испытания стандартизованы [31, 32]. Стандарты на трехслойные панели разработаны на основе стандартов для композиционных материалов [38–41].

Для панелей предложены три методики испытаний: в международном стандарте [31] эти методики обозначены A,B,C, в российском аналоге [32] – А, Б, В соответственно. Следует отметить, что международный стандарт [31] включает испытания трехслойных панелей из всех материалов, а российский аналог распространяется только на панели из композиционных полимерных материалов.

Методики А и Б представляют собой методики испытания на статическое внедрение индентора в образец. При испытании по методике А образец лежит на жестком основании. В соответствии с методикой Б, образец закрепляют над круглым отверстием диаметром 125 мм. В обеих методиках используют одинаковые образцы размером 150´150´d мм.

Зачетными являются разрушения в центральной части образца, на значительном расстоянии от его краев (рис. 16). После испытания исследуют поврежденный образец, в том числе с применением методов неразрушающего контроля. В протоколе испытаний регистрируют:

– график «нагрузка–перемещение индентора»;

– глубину отпечатка, мм;

– размеры и площадь зоны повреждения (длину, ширину, максимальный диаметр);

– площадь зоны повреждения;

– максимальную величинуконтактной силы;

– величинупоглощенной энергиипри максимальной величинеконтактной силы;

– величинувсейпоглощенной в процессе индентирования энергии.

Рис. 16. Зачетные виды разрушения [32]

По методике В образец из трехслойной панели размером 150´100´d мм повреждают ударом свободно падающего груза с наконечником полусферической формы. Ударное повреждение оценивают по размеру отпечатка и характеризуют типом повреждения образца (рис. 17). В качестве дополнительных параметров можно регистрировать зависимость скорости удара и приложенной контактной силы от времени.

Рис. 17. Ударные повреждения образца падающим грузом с запасом упругой энергии 2,0 (а), 3,0(б), 4,5 (в), 6,0 (г) и 8,0 (д) Дж [7]

Образцы вне зависимости от материала, схемы укладки и других параметровподвергают удару с нормированной на единицутолщины образца энергией, равной 6,7 Дж/мм. Энергию удара Е_jвычисляют по формуле (17).

После повреждения образца падающим грузом целесообразно провести испытание на сжатие после удара, позволяющее количественно оценить опасность повреждения по отношению к прочности исходного образца без повреждения.

Стандарты на статическое внедрение индентора в образец, лежащий на жестком основании, а также свободно лежащий или закрепленный над круглым отверстием, стандарты на испытания падающим грузом и сжатие образцов с повреждением и без него следует привести к единому нормативному базису для исследования повреждаемости трехслойных панелей. В настоящее время стандарты не согласованы друг с другом по размерам образцов, радиусу закруглениянаконечника индентора и бойка, а также по используемым приспособлениям для испытаний. Формирование нормативного базиса требует доработки стандартов.

Обсуждение и заключения

Исследование материалов показало наличие тесной связи результатов, получаемых при ударе падающим грузом и статическом внедрении индентора. Тесную связь следует ожидать и при испытании образцов из трехслойных панелей.

Трехслойные панели, как и композиционные материалы, испытывают на ползучесть, усталость и трещиностойкость [33, 34, 42–45].

Согласно работам [9, 14], впервые трехслойная конструкция применена в 1845 г. английским инженером Р. Стефенсоном при строительстве железнодорожного моста. В СССР трехслойную панель разработал в 1928 г. авиационный инженер-конструктор С.И. Зоншайн [14]. В 1940-х гг. начали появляться первые самолеты с трехслойными силовыми элементами. В настоящее время трехслойные конструкции находят все более широкое применение в промышленности и народном хозяйстве.

НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ обладает опытом разработки композиционных материалов в виде трехслойных панелей. Специалисты института принимали активное участие в разработке панелей для створок большого грузового отсека многоразового космического корабля «Буран», мотогондолы двигателя ПС-90 (рис. 18) и других изделий, обладают необходимыми компетенциями для разработки и квалификации металлических, полимерных, металлополимерных трехслойных панелей [46–50].

Рис. 18. Многоразовый космический корабль «Буран» со створками отсека полезного груза [46] (а) и мотогондола двигателя ПС-90 в процессе сборки [47] (б)

Результаты данной работы следует использовать при выборе или разработке методик проведения испытаний образцов из трехслойных конструкций с сотовым заполнителем.